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黄河调水调沙理论与实践
  2015-02-13 08:54  

  一、 项目名称:

  黄河调水调沙理论与实践

  二、获奖年份、奖项名称及等级:

  2010年,国家科学技术进步奖,一等奖

  三、主要完成人:

  李国英、廖义伟、张金良、刘继祥、张俊华、张红月、薛松贵、赵咸榕、张永、翟家瑞、江恩慧、牛玉国、李文学、魏向阳、王震宇

  四、主要完成单位:

  黄河水利委员会

  五、成果介绍

  1、立项背景

  黄河的主要特性是水少沙多,水沙异源,水沙关系不协调。黄河年均输沙量16亿t,平均含沙量35kg/m3,均居世界大江大河第一位。56%的水量来自兰州以上,90%的沙量来自河口镇至三门峡区间;汛期水量占60%,沙量占70%;非汛期水量占40%,沙量占30%,水沙关系的不协调性为世界大江大河之最。

  解决黄河水少沙多、水沙关系不协调的根本途径是增水、减沙、调水调沙。

  黄河调水调沙就是利用干、支流水库对进入下游的水沙过程进行调节和控制,塑造出相对协调的水沙关系,使之能够适应下游河道排洪输沙的特性,最大程度地减少水库和河道的淤积,遏制河槽萎缩,恢复并维持中水河槽。

  随着黄河小浪底等水库建成并投入运用,塑造相对协调的水沙关系具备了基本的工程条件。

  水利部黄河水利委员会以长期的理论研究成果为依托,立项开展了系统的调水调沙理论研究并在2000多公里的河段上进行了原型试验和实践。

  2、研究内容及主要创新点

  1)创建了以塑造协调水沙关系为核心的黄河水沙调控基础理论;建立了表征下游河道冲淤调整关系的输沙能力公式和下游河道不淤积关系式,揭示了黄河下游河道水沙输移规律;建立了小浪底水库异重流输移与浑水水库沉降过程及可定量描述水库异重流输移过程的表达式;建立并验证了现状条件下塑造黄河下游协调水沙关系的调控指标体系。

  提出了可维持黄河下游全线冲刷的调控指标:进入下游的水流含沙量小于20kg/m3时,控制花园口流量2600m3/s,洪水历时维持在9天以上;含沙量40kg/m3左右、且水流悬沙以细颗粒为主时,控制花园口流量3000 m3/s左右,洪水历时控制8天以上。

  2)通过数字黄河、模型黄河、原型黄河“三条黄河”的联动,研究制定了科学的调水调沙预案,在黄河治理的历史上首次系统地开展了大规模、有计划的黄河调水调沙试验和生产实践,为黄河的长治久安开辟了新的治理途径。

  创立了基于小浪底水库单库运行、不同来源区水沙过程对接、干流多库联合调度等黄河调水调沙的基本模式。

  3)提出了利用万家寨、三门峡、小浪底水库联合调度,在小浪底水库人工塑造异重流并排沙出库的塑造技术和调度方式。通过万家寨、三门峡、小浪底水库水沙联合调度的实践,首创了人工塑造异重流,在小浪底水库实现了人工异重流排沙过程。

  2004年~2009年汛前调水调沙塑造异重流期间,三门峡水库排沙2.971亿t,小浪底水库排沙0.874亿t,异重流平均排沙比为30%,且优化了小浪底库区淤积形态,优选了库区淤积物组成(粗颗粒泥沙沉积在库区,细颗粒泥沙随异重流排出水库),实现了水库减淤和恢复下游河道主槽行洪能力的双重目标。

  干流水库群调度塑造异重流这一原创技术为水库有效排沙找到了一条新的途径,对未来黄河水沙调控体系的建立和调度运行将产生深远的影响。

  4)研发集成了水文气象预报系统、工情险情会商系统、预报调度耦合系统、实时调度监测系统等,通过综合运用,实现了重大天气形势预测、雨水情分析、河道水沙演进、水库水沙联合调度等的快速、科学决策和黄河中下游水沙过程的精细调控。

  5)根据黄河的水沙特性和特殊的测验条件,结合试验过程中水沙实时监测的要求,成功地研制、运用了振动式在线测沙仪、多仓悬移质泥沙取样器、清浑水界面探测仪,引进开发了激光粒度分析仪等适合多泥沙河流水沙测验的先进仪器设备,实现了含沙量、泥沙颗粒级配的在线快速监测,填补了我国泥沙在线测验的空白。

  3、 推广应用情况及效益

  1)2002年至2009年九次调水调沙,入海总沙量 5.745亿t,其中河道冲刷3.563亿t。在2002年以来黄河总体来水来沙条件极为不利的情况下,实现了小浪底水库以下至入海口河槽的全线冲刷,黄河下游近1000km河道主河槽平均下降1.5m,最小排洪能力从1800 m3/s提高到3880m3/s

  2)九次调水调沙小浪底水库平均排沙比为39.1%,为实现水库泥沙的多年调节、灵活调度积累了经验,对延长小浪底水库这一黄河防洪减淤骨干工程的使用寿命具有重大意义。

  3)项目组成员先后在《科学》、《水利学报》、《中国水利》等公开发行的刊物上和国际国内学术会议上发表和交流该项目有关论文数十篇。200312月以来,先后出版了四部专著。

  本项目推动了水库群的水沙联合调度、异重流人工塑造、水库泥沙、河道泥沙等河流治理技术及相关学科的发展,对黄河治理与水利行业科技进步作用显著,并对国内外多沙河流治理提供了支持和借鉴。

  4)本成果已在国务院2008年批复的《黄河流域防洪规划》、水利部2004年颁发的《小浪底水库拦沙初期调度规程》、水利部最新修订的《河流泥沙颗粒分析规程》(SL42-2010)、黄河防总制定的洪水调度方案、利用并优化桃汛洪水过程冲刷降低潼关高程试验、清华大学、复旦大学、武汉大学等高等院校教学等方面得到应用。

  

  黄河小浪底水利枢纽大坝

 

  

  黄河调水调沙前后小浪底水库淤积变化图

 

  

  黄河调水调沙期间下游花园口断面变化图

 

  

  人工塑造异重流原理及流程图

 

  

  黄河调水调沙人工塑造异重流现场

 

    

  黄河调水调沙开发的水文仪器

 

  

  证书封面

 

  

  证书内1

  第一完成单位获奖证书

 

 

  论文与著作

 

  

  黄河首次调水调沙试验总指挥中心


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